Les scientifiques mesurent la distance des étoiles grâce à leur musique

C’est dans cette optique que l’Agence spatiale européenne (ESA) a lancé il y a dix ans la mission Gaia. Les données collectées par le satellite Gaia ouvrent une fenêtre sur l'Univers proche, fournissant des mesures astronomiques – telles que la position, la distance à la Terre et le mouvement – ​​sur près de deux milliards d'étoiles.

À l'EPFL, le groupe de recherche Standard Candles and Distances dirigé par le professeur Richard Anderson vise à mesurer l'expansion actuelle de l'Univers et considère Gaia comme un outil précieux. “Gaia a multiplié par 10 000 le nombre d'étoiles dont les parallaxes sont mesurées grâce à un gain massif de précision par rapport à son prédécesseur, la mission Hipparcos de l'ESA”, explique-t-il. Aujourd’hui, les scientifiques utilisent des parallaxes pour calculer la distance aux étoiles. Cette méthode consiste à mesurer les angles de parallaxe, avec l'aide du satellite, grâce à une forme de triangulation entre la localisation de Gaia dans l'espace, le Soleil et l'étoile en question. Plus une étoile est éloignée, plus la mesure est difficile car la parallaxe diminue à mesure que la distance est grande.

Malgré le succès retentissant de Gaia, la mesure de la parallaxe est complexe, et il reste de petits effets systématiques qui doivent être vérifiés et corrigés pour que les parallaxes de Gaia atteignent leur plein potentiel. C'est ce sur quoi travaillent des scientifiques de l'EPFL et de l'Université de Bologne, en Italie, à travers des calculs effectués sur plus de 12 000 étoiles géantes rouges oscillantes*, soit le plus grand échantillon et les mesures les plus précises à ce jour.

“Nous avons mesuré les biais de Gaia en comparant les parallaxes rapportées par le satellite avec les parallaxes des mêmes étoiles que nous avons déterminées en utilisant l'astérosismologie”, explique Saniya Khan, scientifique du groupe de recherche d'Anderson et auteur principal d'une étude publiée aujourd'hui dans Astronomie et astrophysique.

Tremblements de terre stellaires

De la même manière que les géologues étudient la structure de la Terre à l'aide des tremblements de terre, les astronomes utilisent l'astérosismologie, et plus particulièrement les vibrations et oscillations des étoiles, pour glaner des informations sur leurs propriétés physiques. Les oscillations stellaires sont mesurées sous forme de minuscules variations d’intensité lumineuse et traduites en ondes sonores, donnant lieu à un spectre de fréquences de ces oscillations.

“Le spectre de fréquences nous permet de déterminer à quelle distance se trouve une étoile, ce qui nous permet d'obtenir des parallaxes astérosismiques”, explique Khan. “Dans notre étude, nous avons écouté la “musique” d'un grand nombre d'étoiles, certaines situées à 15 000 années-lumière !”

Pour transformer les sons en mesures de distance, l’équipe de recherche est partie d’un fait simple. La vitesse à laquelle les ondes sonores se propagent dans l'espace dépend de la température et de la densité de l'intérieur de l'étoile. “En analysant le spectre de fréquences des oscillations stellaires, nous pouvons estimer la taille d'une étoile, un peu comme on peut identifier la taille d'un instrument de musique par le type de son qu'il produit – pensez à la différence de hauteur entre un violon et un violon. violoncelle”, explique Andrea Miglio, professeur titulaire au département de physique et d'astronomie de l'université de Bologne et troisième auteur de l'étude.

Des analyses sophistiquées

Après avoir ainsi calculé la taille d'une étoile, les astronomes ont ensuite déterminé sa luminosité et comparé ce chiffre à la luminosité perçue ici sur Terre. Ils ont couplé ces informations avec des lectures de température et de composition chimique obtenues par spectroscopie et ont analysé ces données via des analyses sophistiquées pour calculer la distance à l'étoile. Enfin, les astronomes ont comparé les parallaxes obtenues lors de ce processus avec celles rapportées par Gaia afin de vérifier l'exactitude des mesures du satellite.

“L'astérosismologie est le seul moyen de vérifier la précision de la parallaxe de Gaia sur l'ensemble du ciel, c'est-à-dire pour les étoiles de faible et de haute intensité”, explique Anderson. Et l’avenir de ce domaine est prometteur, comme le souligne Khan :

“Les prochaines missions spatiales comme TESS et PLATO, destinées à détecter et étudier les exoplanètes, utiliseront l'astérosismologie et fourniront les ensembles de données requis dans des régions du ciel de plus en plus vastes. Des méthodes similaires à la nôtre joueront donc un rôle crucial dans l'amélioration des mesures de parallaxe de Gaia, ce qui nous aidera identifier notre place dans l'Univers et bénéficier d'une pléthore de sous-domaines de l'astronomie et de l'astrophysique.